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Activité des chaires

Le mystère s’épaissit autour de la matière noire

Françoise Combes
p. 42

Texte intégral

1Les cosmologistes vivent avec une terrible incertitude : ils ne savent toujours pas de quoi est faite 83 % de la matière de l’Univers. Déjà en 1906, Henri Poincaré parlait de matière noire, au sujet des étoiles qui ne brillent pas, et qui pourraient constituer une partie de la masse de notre galaxie, la Voie lactée. Puis, en 1934, Fritz Zwicky découvre que les amas de galaxies ne doivent leur équilibre qu’à une partie importante de matière noire, qui domine d’un facteur 10 à 100 la matière visible ! Ce n’est que vers 1985 que l’on s’aperçoit que cette matière invisible ne peut pas être constituée de protons ou de neutrons, la matière ordinaire dont nous sommes faits. Il doit s’agir d’une particule exotique, non prévue par le modèle standard de particules élémentaires.

  • 1 Large Hadron Collider.

2Cette matière noire doit obéir à certains critères pour pouvoir rendre compte de la formation des grandes structures et des galaxies, telles qu’on les observe aujourd’hui. Ainsi la particule doit être massive, sensible uniquement à l’interaction faible, en plus de la gravité : elle est ainsi nommée WIMP (Weakly Interactive Massive Particle). Les physiciens ont imaginé des extensions du modèle standard, et notamment l’hypothèse de la super-symétrie, pour résoudre certains problèmes comme la hiérarchie de jauge : chaque particule du modèle standard aurait un super-partenaire, de masse bien plus élevée, et de nature (fermions ou bosons) opposée. La particule super-symétrique la plus stable, le neutralino, est donc un super-candidat pour la matière noire. De plus, la masse requise pour le neutralino correspond par une coïncidence quasi-miraculeuse à l’échelle de l’interaction faible. En effet, sa probabilité d’annihilation au début de l’Univers par l’interaction faible est connue, et pour que la quantité restante aujourd’hui corresponde à la quantité de matière invisible nécessaire, sa masse doit être environ 100 fois celle d’un proton (100 Giga electronvolt, ou 100 Gev), du même ordre que la masse du boson de Higgs détecté au CERN par le LHC1 en 2012.

3Le collisionneur de particules du CERN s’attend à détecter des particules exotiques stables, capables de former la matière noire, par exemple issues de la super-symétrie. Pourtant, le LHC n’a jusqu’à présent pas donné signe de l’existence de la super-symétrie, bien que des énergies jusqu’au Tera-electronvolt aient été explorées, et le seuil favori de 100 Gev soit dépassé. Le LHC, grâce aux énormes énergies atteintes, demeure cependant l’instrument le plus à même d’explorer les premières pico-secondes de l’Univers, juste après le Big Bang.

Iceberg flottant ...Iceberg flottant dans l’océan Arctique

Iceberg flottant dans l’océan Arctique

La matière ordinaire qui rayonne dans l’Univers n’est que la partie émergée de l’iceberg. Elle permet de diagnostiquer la présence de matière invisible, qui représente 83% de la matière totale.

© iGettyimages

4En parallèle, depuis 1985, une chasse effrénée à la matière noire débute dans les souterrains et tunnels sous les montagnes (Fréjus, Grand Sasso, ou ancienne mine d’or dans le Dakota), espérant détecter le recul d’un noyau de matière comme le xénon, après sa collision élastique avec un WIMP. Au cours de ces années, les limites supérieures sont descendues de près de dix ordres de grandeur, et l’on peut déjà conclure au grand succès de ces expériences pour la non-détection de la matière noire. Bientôt un seuil plancher va être atteint, celui où un grand nombre de détections sont prévues, mais cette fois dues à la diffusion des neutrinos du Soleil par les noyaux du détecteur.

5En février 2016, l’observatoire LIGO a annoncé la première détection directe d’ondes gravitationnelles, provenant de la fusion de deux trous noirs de masses de l’ordre de trente masses solaires. Depuis, cinq autres fusions de trous noirs ont été détectées, conduisant à des masses comparables. Ces masses correspondent à celles prévues pour la fin de vie des étoiles. Mais plusieurs chercheurs y voient l’occasion de faire revivre l’hypothèse que la matière noire pourrait être sous forme de trous noirs primordiaux. Ces trous noirs primordiaux seraient formés dans la première seconde après le Big Bang, grâce à de fortes inhomogénéités dues à l’inflation cosmique. Ils peuvent être considérés comme de la matière non-baryonique froide. Les trous noirs provenant de la mort des étoiles, eux, sont de la matière baryonique, et ne peuvent pas contribuer à la masse manquante, car ils auraient rejeté beaucoup trop d’éléments lourds dans le milieu interstellaire. L’abondance des trous noirs primordiaux est toutefois très contrainte par l’expérience de microlentilles et, pour les plus massifs, par les microlentilles devant les quasars, de même que l’émission du fonds cosmologique (contraintes résultant des observations du satellite Planck). Les trous noirs primordiaux, toutes masses confondues, ne pourraient contribuer qu’à une infime fraction de la matière noire.

6De tous les côtés, il semble que des possibilités pour la matière noire se ferment. Il faut s’en réjouir, la concentration des travaux des scientifiques sur les pistes restantes va sans doute permettre de faire éclater la solution !

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Notes

1 Large Hadron Collider.

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Table des illustrations

Titre Iceberg flottant dans l’océan Arctique
Légende La matière ordinaire qui rayonne dans l’Univers n’est que la partie émergée de l’iceberg. Elle permet de diagnostiquer la présence de matière invisible, qui représente 83% de la matière totale.
Crédits © iGettyimages
URL http://journals.openedition.org/lettre-cdf/docannexe/image/3973/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 342k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Françoise Combes, « Le mystère s’épaissit autour de la matière noire », La lettre du Collège de France [En ligne], 42-43 | 2016-2017, mis en ligne le 01 juillet 2018, consulté le 15 novembre 2018. URL : http://journals.openedition.org/lettre-cdf/3973

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Auteur

Françoise Combes

Chaire Galaxies et cosmologie

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Droits d’auteur

© Collège de France

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